JPH1194524A - トロリー線の高さ測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トロリー線の高さを、レーザー位相差計を
用いて、非接触で高精度に測定できるようにする。 【解決手段】 測定部１からトロリー線８にレーザー光
を高周波変調して照射すると共に、追尾制御部２により
走査制御部３を制御し、この制御をもとに走査駆動部４
により走査光学系５を動作させて、レーザー光を走査す
る。トロリ線８からのレーザー反射光を受光制御部７で
受光し、制御指令を追尾制御部２にフイードバッグし
て、追尾制御部２により測定部１を制御させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気鉄道への電力
供給用として、線路に沿って懸垂架設されたトロリー線
の高さ測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気鉄道における電力供給用トロリー線
は、線路に沿って立てられた電柱と、この電柱に支持さ
れた吊り架線から垂れ下がったハンガーによって懸垂支
持されている。そして、電車の屋根上に設置されている
パンタグラフの摺板をトロリー線に接触させ、電車に所
要の電力を供給している。この場合、摺板の全面で一様
に摩耗するようにトロリー線は電車の進行方向に沿って
所定の範囲で蛇行するように架設されている。また、電
車の走行密度が高い区間では、所要の電力を供給するた
めに複数本のトロリー線を所定の間隔で平行に架設する
ことも行なわれている。

【０００３】このトロリー線は、在来線の場合、レール
面上４５００ｍｍ〜５４００ｍｍの範囲に架設されてお
り、トロリー線の高さが定められて基準値の中にある
か、また電車が通過した時どのような運動をするか知る
ためにトロリー線の高さを測定する必要がある。このた
め、従来は図１０に示すようにパンタグラフ接触による
方法でパンタグラフの運動を測定することにより、トロ
リー線の高さを検出している。即ち、トロリー線ｔの高
さが変わると、パンタグラフ５１は上下に運動してパン
タグラフ５１の主軸５２が回転する。この回転を絶縁体
５３を介してポテンショメータ５４に導き、このポテン
ショメータ５４によりトロリー線ｔの高さを測定してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】パンタグラフ接触によ
る方法では、トロリー線が揺動したりしてパンタグラフ
が一瞬離線した場合、トロリー線の高さ測定ができなく
なるという問題があって、パンタグラフの離線とは関係
なく常に正確な高さ測定ができる方法が要望されてい
た。本発明の目的は、トロリー線の高さがレーザー位相
差計を用いて該トロリー線とは非接触で正確に測定でき
る、トロリー線の高さ測定方法を提供することにある。
また、副次的にはトロリー線の偏位を求めることができ
るトロリー線の高さ測定方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の特徴とするトロリー線の高さ測定方法は、
電車の走行路に沿って懸垂架設されたトロリー線に高周
波変調されたレーザー走査光を照射し、そのレーザー走
査光を前記トロリー線の長さ方向に対してほぼ直角方向
にスキャニングし、前記トロリー線から反射されるレー
ザー乱反射光をレーザー位相差計に受光せしめ、そのレ
ーザー位相差計により、前記レーザー走査光と前記レー
ザー反射光の位相差をもとに、前記トロリー線の高さと
偏位を営業車両や保守用車両から求めることにある。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
１〜図９を参照しながら説明する。本発明方法を実施す
るための高さ測定装置を概略的に示すブロック図である
図１において、１は距離計である測定部、２は追尾制御
部、３は走査制御部、４は走査駆動部、５は走査光学
系、６は制御光学系、７はＣＣＤモジュールからなる受
光制御部であって、追尾制御部２は走査制御部３を制御
し、走査制御部３は走査駆動部４を制御して走査光学系
５に光走査させると共に、走査光学系５は制御光学系６
を通して走査光を測定対象物であるトロリー線８に照射
する。受光制御部７は制御光学系６を通して走査光及び
トロリー線８からの反射光を受光し、追尾制御部２に制
御指令を与え、追尾制御部２はこの指令をもとに測定部
１にサーチ指令を与える。

【０００７】図２は図１の高さ測定装置の基本構成を示
すもので、距離計基板９、受光モジュール１０、非球面
レンズ１１、干渉フイルタ１２及びレーザーモジュール
１３によって構成されている。また、図３に示すよう
に、受光制御部７のＣＣＤモジュールはＣＣＤ基板１
４、１次元ＣＣＤ１５及び干渉フイルタ１６を含んでい
る。なお、１６ａは非球面レンズである。

【０００８】次に、図４によって本発明方法を説明する
と、高周波変調されたレーザー走査光を投受光できるレ
ーザー位相差計１７から出るレーザー走査光をコリメー
ト鏡１８又はレンズの焦点距離ｆに置かれたスキャナ１
９によって平行スキャニングして垂直上方に向け（太陽
光の垂直入射をカット）、トロリー線８の摺面にレーザ
ー走査光２０を投射し、そこから生ずる乱反射光を再び
同じ光路を経てレーザー位相差計１７にて受光する。

【０００９】この際、レーザー位相差計１７に一体又は
別個に置かれたＣＣＤカメラ２１等のトロリー線位置セ
ンサーによってトロリー線８を見張り、スキャナ１９の
回転角にフィードバックをかけ、動くトロリー線８にレ
ーザー走査光２０を照射し続け、測定回数を多くして精
度を向上させる。なお、ＣＣＤカメラ２１によりトロリ
ー線８の偏位が測定できる。また、複数本のトロリー線
高さ測定は、現在では最大４本であるが、スキャナ１９
を次々と回転させて、図１に示すように上位ＣＰＵから
何本目のトロリー線を測定せよという指示を受ければ、
その指示に従って当該トロリー線の高さが測定される。

【００１０】そして、ＣＣＤモジュール７に何も受光し
ていない時は、図５の（ａ）に示すようにレーザー走査
光２０をスキャンしてサーチを開始する（この時、何本
目のトロリー線かは設定しておく）。次いで、図５の
（ｂ）に示すようにレーザー走査光２０がトロリー線８
に当たった時からＣＣＤ出力が得られ、更に移動すると
図５の（ｃ）と（ｄ）に示すようにパルス巾が最大巾か
ら逆に狭くなって行く。この時のレーザー走査光の移動
している方向は判っているので、逆方向に戻して最大巾
にする。この際、トロリー線８の反射率が大きく変化し
ないことを条件とする。

【００１１】次に、図６に示すように、レーザー走査光
２０がロックされてトロリー線８が移動した場合、図の
矢印で示すように右方向へ移動するとパルスは左側から
狭くなって行くので、レーザー走査光２０を右方向に振
ればパルス巾は広くなり追尾する。例えば、レーザー走
査光２０のスキャン分解能を１ｍｍとし、ＣＣＤ受光セ
ンサのサンプル速度を１ＫＨｚ以下とすれば、１００ｍ
ｍスパンなら０．１秒で追尾できる。但し、ガルバノメ
ータの応答速度から、もう少し遅くなるが、１ＫＨｚ以
下のトロリー線８の移動があれば、走行中や停止中に関
係なくサーチできる。

【００１２】図７は本発明測定方法に用いるレーザー変
調式位相差計の概略構成を示すもので、測定部１は、後
述する操作制御部５０の制御のもとにレーザー走査光２
０を用いて、該測定部１から所定距離Ｄだけ離れた測定
対象物であるトロリー線８の高さと変位ｄを測定する。

【００１３】そして、図７に示すレーザー変調式位相差
計の実施の態様を図８により説明すると、２２は発光源
である半導体レーザー、２３は非球面鏡、２４はハーフ
ミラーであって、非球面鏡２３とハーフミラー２４は半
導体レーザー２２から発生するレーザー光の光路上に配
置されている。２５はハーフミラー２４からの反射光の
光路上に配置された第１のコリメートレンズ、２６ａと
２６ｂは測定対象物であるトロリー線８の反射光路上に
配置されたミラー、２７はミラー２６ａ，２６ｂの反射
光路上に配置された第２のコリメートレンズであって、
ミラー２６ａ，２６ｂと第２のコリメートレンズ２７間
には干渉フイルター１２が配置されている。

【００１４】２８は基準発振機を内蔵しアバランシェフ
オトダイオードを有する第１の光電変換器、２９はアバ
ランシェフオトダイオードを有する第２の光電変換器で
あって、半導体レーザー２２、非球面鏡２３、ハーフミ
ラー２４、第１のコリメートレンズ２５、ミラー２６
ａ，２６ｂ、干渉フイルター１２、第２のコリメートレ
ンズ２７及び光電変換器２８，２９は測定部１である光
学系を構成している。３０は基準周波数発生器、３１は
レーザー駆動器、３２はトリガパルス発生器である。３
３ａは第１の光電変換器２８の出力信号を入力とする高
速アンプ、３３ｂは第２の光電変換器２９の出力信号を
入力とする自動ゲイン制御機能を有する高速アンプであ
る。

【００１５】そして、３４はトリガパルス発生器３２と
高速アンプ３３ａの出力信号を入力とするサンプリング
ヘッド、３５はトリガパルス発生機３２と高速アンプ３
３ｂの出力信号を入力とするダブルバランスミキサー、
３６ａ，３６ｂは波形整形回路であって、これらのサン
プリングヘッド３４、ダブルバランスミキサー３５及び
波形整形回路３６ａ，３６ｂによって時間軸回路３７を
構成している。

【００１６】３８ａは波形整形回路３６ａの出力信号を
入力とするレベルコンパレータ、３８ｂは波形整形回路
３６ｂの出力信号を入力とするレベルコンパレータ、３
９はレベルコンパレータ３８ａ，３８ｂの出力信号と基
準周波数発生器３０の出力信号を入力とするゲート制御
回路、４０はゲート制御回路３９の出力信号を入力とし
て計数するカウンタであって、これらのレベルコンパレ
ータ３８ａ，３８ｂ，ゲート制御回路３９及びカウンタ
４０によって時間差測定回路４１が構成されており、ま
た、基準周波数発生器３０、レーザー駆動器３１、トリ
ガパルス発生器３２、時間軸回路３７、時間差測定回路
４１及びマイクロプロセッサー４２によって操作制御部
５０が構成されている。

【００１７】以下に動作を説明する。半導体レーザー２
２から発生したレーザー光はハーフミラー２４を通して
トロリー線８に照射されると共に、ハーフミラー２４に
より反射され、反射したレーザー光は第１のコリメート
レンズ２５に集光されて、第１の光電変換器２８に入射
される。トロリー線８からの反射レーザー光は、ミラー
２６ａ，２６ｂによって反射されて、干渉フイルター１
１を通して第２のコリメートレンズ２７に入射される。
第２のコリメートレンズ２７は反射レーザー光を集束し
て第２の光電変換器２８，２９に導く。そして、第１及
び第２の光電変換器２８，２９は反射レーザー光を反射
光のエネルギーの強弱に対応する強弱の電気信号に変換
する。

【００１８】基準周波数発生器３０は、基準周波数信号
ｆ_０をレーザー駆動器３１に入力し、周波数信号ｆ_１を
トリガパルス発生器３２に入力する。第１の光電変換器
２８の出力信号は第１の高速アンプ３３ａにより増幅さ
れ、第２の光電変換器２９の出力信号は第２の高速アン
プ３３ｂによって増幅される。サンプリングヘッド３４
は第１の高速アンプ３３ａの出力信号とトリガパルス発
生器３２のトリガパルス信号を入力として、第１の高速
アンプ３３ａの出力信号をサンプリングし、ダブルバラ
ンスミキサー３５は第２の高速アンプ３３ｂの出力信号
とトリガパルス発生器３２の出力信号を入力として、第
２の高速アンプ３３ｂの出力信号とトリガパルス発生器
３２の出力信号を合成する。

【００１９】サンプリングヘッド３４のサンプリング信
号は第１の波形整形回路３６ａによって、またダブルバ
ランスミキサー３５の合成信号は第２の波形整形回路３
６ｂによってそれぞれ波形整形され、図９に示すように
その信号の時間軸が拡大される。時間差測定回路４１の
第１のレベルコンパレータ３８ａは第１の波形整形回路
３６ａの波形整形信号のレベルを基準レベルと比較し、
第２のレベルコンパレータ３８ｂは第２の波形整形回路
３６ｂの波形整形信号のレベルを基準レベルと比較す
る。

【００２０】ゲート制御回路３９は、第１のレベルコン
パレータ３８ａの偏差出力信号と第２のレベルコンパレ
ータ３８ｂの偏差出力信号を入力として、基準周波数発
生器３０の周波数信号ｆ_２をもとにゲート信号を発生す
る。カウンタ４０はゲート制御回路３９からのゲート信
号を計数して、第１の光電変換器２８の出力信号、即
ち、ハーフミラー２４からレーザー光が第１の光電変換
器２８に入射する時間と、トロリー線８から反射し更に
ミラー２６ａ，２６ｂを介してレーザー光が第２の光電
変換器２９に入射する時間との時間差信号を出力する。

【００２１】マイクロプロセッサー４２は時間差信号の
０点補正、光速補正及び平均化を実行して、測定点から
トロリー線８までの高さであるデジタル及びアナログ距
離信号を出力する。例えば、半導体レーザー２２を２９
９７９ＭＨｚ（波長λ／２＝５ｍｍ）で変調し、平行ビ
ームにした後、トロリー線８に放射する。トロリー線８
の表面で乱反射した光の一部をミラー２６ａ，２６ｂ及
び第２のコリメートレンズ２７で集光し、第２の光電変
換器２９に入射する。乱反射の場合は受光系に返ってく
る光のエネルギーが小さいため、大口径、例えば１００
〜２００ｍｍの受光レンズと高感度の光電変換器をしよ
うする。また、高性能の干渉フィルターによりＳ／Ｎ比
を向上させる。

【００２２】半導体レーザーの直接光及び反射光を、そ
れぞれＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダ
イオードで電気信号に変換し、性能の揃った高速アンプ
で増幅する。検出信号をレーザー変調周波数より例えば
２９９８ＫＨｚ（１／１００００）低い周波数でサンプ
リングすると、信号の時間軸が１００００倍拡大され
る。この時、サンプリングヘッドの電気的特性の制約か
ら、サンプリングを１／２０に間引きするが、時間軸の
拡大倍率には影響しない。サンプリングヘッドの出力は
パルス列信号となるので、波形整形回路によって連続信
号に変換する。

【００２３】波形成形された基準信号と反射信号の時間
差を正確に測定するために、レベルコンパレータで各々
のゼロクロス点を検出し、時間差を１４９８９ＭＨｚの
クロッグでカウントする。時間軸が１００００倍に拡大
されるので、１４９８９ＭＨｚの１カウントは、トロリ
ー線の変位１ｍｍに対応する。そして、マイクロプロセ
ッサによって０点補正、光軸補正、平均化等して精度を
上げると、トロリー線の変位は平均化を３２回とすれ
ば、分解能１ｍｍ、応答２０Ｈｚ程度で測定可能にな
る。

【００２４】図９はサンプリング、△ｆに時間拡大され
た信号及び基準周波数信号ｆ_０を示すもので、ｆ_０Ｈｚ
の信号ｓ_１を（ｆ_０−△ｆ）Ｈｚの信号ｓ_２のゼロクス
点でサンプリングすれば、ｆ_０の信号は（ｆ_０−△ｆ）
Ｈｚの信号に時間軸拡大される。この図９の例では△ｆ
＝ｆ_０／１０であって、△ｆ＝ｆ_０／Ｍとすれば、元の
信号は周波数で１／Ｍ時間軸でＭ倍に変換されたことに
なる。レーザー光変調方式で基準光と反射光の時間差を
正確に測定するには、このような技術によって取り扱う
信号の周波数を大幅に下げる必要がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明は上記の如くであって、高周波変
調されたレーザー光を平行スキャニングしてトロリー線
にほぼ垂直に照射し、帰ってくるトロリー線からのレー
ザー乱反射光をレーザー位相差計に受光せしめ、車両進
行方向と直角に変位するトロリー線の左右の動きをセン
サーにより見張り、スキャナー角度を制御してトロリー
線にレーザー光を照射し続け、非接触でトロリー線の高
さを測定する方法であるから、経済的で高精度の高さ測
定ができる。また、左右の動きを見張るセンサーによっ
てトロリー線の偏位も測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施に用いる装置を概略的に示す
ブロック図である。

【図２】図１に示す装置の基本構成図である。

【図３】図１に示す装置のＣＣＤモジュールの基本構成
図である。

【図４】本発明方法を説明するための概略図である。

【図５】図１の装置の動作説明図である。

【図６】図１の装置の動作説明図である。

【図７】本発明方法に用いるレーザー位相差計の概念図
である。

【図８】本発明方法に用いるレーザー位相差計の一例を
示すブロックズ図である。

【図９】図８に示すレーザー位相差計の特性図である。

【図１０】従来のトロリー線の高さ測定方法を説明する
ための概略的構成図である。

【符号の説明】

１は測定部 ２は追尾制御部 ３は操作制御部 ４は走査駆動部 ５は走査光学系 ６は制御光学系 ７はＣＣＤモジュール ８はトロリー線

フロントページの続き (72)発明者 山田 正和 埼玉県川越市大字今福2763番地８

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電車の走行路に沿って懸垂架設されたト
   ロリー線に高周波変調されたレーザー走査光を照射し、
   そのレーザー走査光を前記トロリー線の長さ方向に対し
   てほぼ直角方向にスキャニングし、前記トロリー線から
   反射されるレーザー乱反射光をレーザー位相差計に受光
   せしめ、そのレーザー位相差計により、前記レーザー走
   査光と前記レーザー反射光の位相差をもとに、前記トロ
   リー線の高さと副次的にトロリー線の偏位を求めること
   を特徴とするトロリー線の高さ測定方法。